Langzaam fladderend met zijn oranje en zwarte vleugels, een monarchvlinder drinkt vloeistof uit een modderpoel. Zijn slurf - het mondstuk dat vloeistoffen opzuigt - graast de vochtige grond. Voor jaren, biologen wisten dat vlinders vloeistoffen op een andere manier opzuigden uit oppervlakken met poriën dan uit bloemen. Maar ze hadden geen manier om die verschillen waar te nemen.

"De biologen wisten van deze voedingswijze, maar had geen gereedschap om te observeren wat er aan de hand was, " zei Daria Monaenkova, die dit gedrag bestudeerde als een afgestudeerde student aan de Clemson University.

Microscopen alleen konden niet onthullen wat Monaenkova wilde bestuderen. Maar een relatief nieuwe techniek met behulp van een extreem krachtige röntgenfoto bleek precies het ding te zijn. Met behulp van de geavanceerde fotonbron van de DOE, een Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Argonne National Laboratory, Monaenkova en andere onderzoekers hebben video's met hoge resolutie kunnen maken van de binnenkant van levende insecten.

Het afgelopen decennium is het APS is een thuis geweest voor wetenschappers die gespecialiseerd zijn in de biomechanica van insecten om onderzoek te doen dat ze nergens anders kunnen doen. Wetenschappers bestuderen vlinders, muggen, en kevers hebben de APS gebruikt om nieuwe inzichten te onthullen in hoe ze functioneren en mogelijk technologie te inspireren op basis van die functies.

Realistisch röntgenzicht

Wetenschappers die insecten bestuderen, hebben gereedschap nodig dat door hun harde uitwendige skelet kan kijken. onthullen kenmerken van zacht weefsel, bewegingen opnemen die een duizendste van een seconde lang zijn, en laat details zien die een miljoenste van een meter lang zijn. Bovenal, ze moeten in realtime vastleggen hoe deze systemen werken. Gewone microscopen kunnen niet aan veel van deze behoeften voldoen.

Maar synchrotron-röntgenstralen, die worden geproduceerd door deeltjesversnellers, kan. Net zoals artsen röntgenstralen gebruiken om in menselijke lichamen te kijken, wetenschappers kunnen ze gebruiken om in insectenlichamen te kijken. Röntgenstralen zijn vooral handig voor het maken van afbeeldingen van structuren met verschillende dichtheden, zoals monddelen en spijsverteringsstelsels.

Niet zomaar een röntgenfoto is voldoende. Wetenschappers kunnen de reguliere röntgenstralen niet genoeg controleren om deze experimenten uit te voeren. Maar de lichtbronnen van de gebruikersfaciliteit van het Office of Science produceren buitengewoon krachtige röntgenstralen die wetenschappers zeer nauwkeurige controle bieden. In het geval van de APS, het is voldoende controle om in een insect te kijken zonder het te verdampen.

Deze röntgenstralen gaan naar experimentele stations waar wetenschappers studies uitvoeren. Elke APS-bundellijn heeft röntgenoptica die de energie van de röntgenstraal kan selecteren en op het station kan concentreren om aan de behoeften van wetenschappers te voldoen. De röntgenstralen bewegen door het object dat wordt bestudeerd en gaan in een scintillator - een gespecialiseerd kristal dat röntgenstralen omzet in zichtbaar licht. Een high-end camera legt dat zichtbare licht vast op video.

"Het is alsof er een hele nieuwe wereld wordt onthuld, " zei Jake Socha, hoogleraar biomechanica aan Virginia Tech. "Bijna alles wat je in de balk kunt stoppen, je ziet dat perspectief voor het eerst nieuw."

Zelfs voor de mensen die gespecialiseerd zijn in röntgenapparaten, de helderheid van de beelden is verrassend. Wah-Keat Lee, een röntgenonderzoeker die bij het APS zat en nu bij de NSLS-II, een andere gebruikersfaciliteit van het Office of Science, pionierde met de techniek. Hij beschrijft de eerste keer dat hij de resultaten zag, hij zei, "De helderheid van de interne structuren van het kleine insect was behoorlijk fenomenaal."

De APS bereikt deze helderheid met een zeer intense, hoge energie, strakke bundel die ook een hoge helderheid heeft (de hoeveelheid licht die op een bepaald moment op een bepaalde plaats kan worden gefocust). Zoals een camera met een hoge sluitertijd die veel licht nodig heeft, helderheid is belangrijk voor het vastleggen van extreem snelle bewegingen. In een experiment, wetenschappers maakten röntgenvideo's met een snelheid van meer dan 10, 000 beelden per seconde. Films in commerciële theaters zijn meestal 24 frames per seconde.

"De lichtbronnen hebben nog steeds een enorm voordeel in snelheid, " zei Socha, vergelijken met andere beeldtechnologieën.

Het belangrijkste is, lichtbronnen kunnen beeldvorming met fasecontrast uitvoeren. Normale röntgenapparaten zijn afhankelijk van het feit dat dichte objecten, zoals bot, veel röntgenstralen absorberen. Die röntgenstralen bereiken de detector niet en delen van het beeld zijn donker. Maar insecten hebben niets zo dicht als bot. Als resultaat, hun lichaam absorbeert minder röntgenstralen en produceert geen scherp beeld. Fasecontrast röntgenbeeldvorming lost dit probleem op. Hoewel lichte objecten niet veel röntgenstraling absorberen, ze veranderen hun golven. Omdat fasecontrastdetectoren die veranderingen kunnen meten, ze zijn gevoeliger voor kleine verschillen in dichtheid dan traditionele machines. In feite, met behulp van afbeeldingen van het APS, wetenschappers konden onderscheid maken tussen vloeistoffen en lucht in het voedselkanaal van een insect.

"Het brengt je van een wazige foto van een klodder naar een heel scherpe foto van een insect, ' zei Socha.

Onderzoek naar de innerlijke werking van insecten

Terwijl wetenschappers die levenloze objecten bij lichtbronnen bestuderen, met een aantal uitdagingen te maken hebben, ze hoeven zich in ieder geval geen zorgen te maken dat ze wegvliegen.

Voordat ze zelf met de insecten kunnen omgaan, onderzoekers moeten beslissen over de instellingen van de machine die resulteren in de beste beelden en de minste schade aan de insecten. Hoe langer de golflengte van de röntgenstraal, hoe beter het contrast. evenzo, hoe intenser de straal, hoe helderder en duidelijker het beeld. Maar hoe langer de golflengte en hoe intenser de straal, hoe meer de röntgenstraling het insect beschadigt. Door deze schade kan het insect zich onnatuurlijk gedragen of doden. (Terwijl wetenschappers de bugs vaak doden nadat het onderzoek is voltooid, ze willen niet dat ze halverwege sterven.)

Een vroege studie die een verscheidenheid aan insecten testte, ontdekte dat hoewel vijf minuten onder de straal geen negatief effect leek te hebben op de meeste soorten, meer dan 20 minuten verlamde hen tijdelijk. Zelfs met dat eerdere onderzoek, teams brengen nog steeds hun eerste zes tot acht uur door bij het APS om de instellingen van hun experiment te bepalen.

"Er is veel vallen en opstaan. Je gaat daar niet binnen een half uur na de installatie naar binnen en begint met het verzamelen van gegevens, " zei Matthew Lehnert, een entomoloog aan de Kent State University.

De volgende uitdaging is om hun vliegende en kruipende onderwerpen stil te houden.

"Je kunt niet zomaar iets voor een balk gaan zitten en zeggen:'Niet bewegen, ' zei Lehnert.

Na het uitschakelen van de insecten met stikstofgas of door ze te koelen, wetenschappers gebruiken verrassend low-tech technieken om ze aan platforms te bevestigen. Sommige onderzoekers pinnen ze vast of omringen ze met katoen of boetseerklei. Wetenschappers die muggen bestudeerden, bevestigden ze met nagellak aan het oppervlak. De krant citeert zelfs het merk, voor andere onderzoekers die het werk willen reproduceren.

"Nagellak is een geweldig hulpmiddel voor het lab, ' zei Socha.

De volgende stap is het motiveren van insecten om het gewenste gedrag uit te voeren. Voor vlinders en muggen, onderzoekers wilden hun voedingsgewoonten observeren. Maar de normale suikeroplossing is niet te zien op de röntgenfoto. De wetenschappers werkten samen met APS-medewerkers om een ​​vorm van jodium te kiezen die ze konden mengen in de suikeroplossing die zowel een duidelijk beeld zou creëren als vlinders zouden willen eten.

Met bombardierkevers, de wetenschappers wilden begrijpen hoe ze kunnen creëren, warmte, en spuit een vloeibare spray bij temperaturen die bijna koken. Maar kevers spuiten niet op commando. Sommigen sproeiden zodra ze wakker werden, geschrokken van het feit dat er een röntgenfoto op hen was gericht. Met anderen, de wetenschappers moesten ze porren met een speld.

Hoewel het proces niet prettig is voor individuele insecten, wat wetenschappers leren, kan hen helpen de hele soort en zijn evolutie als geheel beter te begrijpen.

Vlinders en kevers en muggen, Oh mijn

De resulterende afbeeldingen maakten het experiment de moeite waard.

Voor vlinders, Monaenkova en haar collega's ontdekten dat de proboscis werkt als een combinatie van een spons en een rietje. De sponsachtige structuur aan het uiteinde van de slurf zorgt voor capillaire werking, het vermogen van vloeistoffen om naar boven te stromen zonder zuigkracht. Dat helpt de vlinders het proces van het opnemen van vloeistof uit poreuze materialen te starten, kleine druppeltjes, en plassen. Een mechanisme in de kop van de vlinder pompt vervolgens de vloeistof omhoog door het stroachtige deel van de slurf.

"Zonder dit instrument het onderzoek dat we deden zou niet mogelijk zijn, ' zei Monaenkova.

Deze ontdekking kan wetenschappers helpen nieuwe technologie te ontwikkelen voor hulpmiddelen die vloeistoffen opvangen of medicijnen in het lichaam van mensen afleveren.

In het geval van muggen, onderzoekers vonden ook een nieuwe manier van voeden. Muggenkoppen hebben twee verschillende pompen die vloeistof opzuigen. Door op een bepaald moment te kijken in welke delen voedsel zat, wetenschappers ontdekten hoeveel elke pomp bijdroeg aan de totale stroom. Ze vonden een nieuwe manier van zuigen die 27 keer krachtiger is dan de gewone. Verder onderzoek op dit gebied kan wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe muggen ziekten zoals het Zika-virus overbrengen.

De wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology en de Universiteit van Arizona die bombardierkevers bestudeerden, wilden elke fase van de chemische reactie volgen die leidt tot de spray van de kevers. In kaart brengen hoe de damp is gevormd, uitgebreid, en bewogen hielpen hen te begrijpen hoe het lichaam van de kever het proces regelt.

In elk geval, de APS onthulde mechanismen die wetenschappers op geen andere manier konden onderzoeken.

Zoals Lee zei, "Het werk dat we hier deden, heeft de leerboeken echt veranderd."